01 Inleiding
Te midden van de verschuiving van de mondiale auto-industrie naar elektrificatie bepalen energiebatterijen, als de kernenergiebron van nieuwe energievoertuigen, het marktconcurrentievermogen van elektrische voertuigen door hun prestaties, veiligheid en kosten. De productie van energiebatterijen is een complex proces waarbij interdisciplinaire kennis betrokken is, waaronder materiaalkunde, elektrochemie en precisietechniek. Verbindingstechnologie van hoge-kwaliteit is een cruciale schakel in dit proces. Traditionele verbindingsmethoden, zoals weerstandslassen en ultrasoon lassen, vertonen steeds vaker beperkingen-zoals grote thermische effecten, slechte consistentie en smalle procesparametervensters-wanneer ze te maken krijgen met grootschalige-schaal, geautomatiseerde productie van stroombatterijen en de verwerking van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals koper en aluminium. Laserlastechnologie, met zijn hoge energiedichtheid, regelbare warmte-inbreng, contactloze aard en gemak van automatisering, voldoet aan de strenge eisen van de productie van krachtige batterijen op het gebied van precisie, efficiëntie en betrouwbaarheid, en is een kernproces geworden in de hele workflow, van celproductie tot assemblage van batterijpakketten. Dit artikel heeft tot doel de specifieke toepassingen van laserlastechnologie in verschillende productiefasen van stroombatterijen te illustreren en de belangrijke rol ervan bij het bevorderen van de ontwikkeling van de energiebatterij-industrie samen te vatten.
02 Toepassing in de productiefase van batterijcellen
De batterijcel is de fundamentele eenheid van een krachtige batterij, en de productieprecisie en afdichting ervan zijn essentiële garanties voor de veiligheid en prestaties van de batterij. Laserlassen wordt vooral gebruikt voor het nauwkeurig aansluiten en definitief afdichten van accucellen. Ten eerste wordt voor de elektrische verbindingen in de batterijcel laserlassen gebruikt om de lipjes te lassen. Nadat het wikkel- of stapelproces is voltooid, is het noodzakelijk om de lippen van de positieve (aluminiumfolie) en negatieve (koperfolie) elektroden, die uit tientallen of zelfs honderden lagen kunnen bestaan, stevig te lassen, samen met de stroomcollectoren, en een betrouwbaar elektrisch pad te vormen met de externe aansluitingen of verbindingsstukken, zoals weergegeven in figuur 1. Laserlassen kan deze dunne materialen onmiddellijk versmelten met extreem korte pulsduur, waardoor laspunten met lage weerstand en hoge sterkte worden gevormd. Het voordeel ligt in de minimale hitte-zone, waardoor hitteschade aan de aangrenzende scheiders en actieve materialen effectief wordt vermeden, waardoor de elektrochemische prestaties van de batterijcel behouden blijven.
Ten tweede is laserlassen in de laatste verpakkingsfase van batterijcellen een van de effectieve methoden om een luchtdichte afdichting te bereiken. Tegelijkertijd wordt laserlassen gebruikt om de bovenkap en de behuizing van zowel vierkante aluminium omhulselbatterijen als cilindrische stalen omhulselbatterijen met elkaar te verbinden. Door het laservermogen, de snelheid en de brandpuntspositie nauwkeurig te regelen, kan een continue, gladde en dichte lasnaad op de behuizing worden gevormd, waardoor lekkage van elektrolyten en het binnendringen van extern vocht effectief wordt voorkomen, waardoor de chemische stabiliteit van de batterijcel gedurende zijn hele levensduur wordt gegarandeerd. Voor zakcellen wordt laserlassen gebruikt bij de boven- en zijafdichtingsprocessen, waarbij de uitstekende lipjes worden gelast aan de verbindings- en beschermende overgangsstukken (meestal vernikkeld koper of aluminium). Het non-contactkarakter ervan zorgt voor verpakkingsefficiëntie en geen schade aan het aluminium-plastic filmverpakkingsmateriaal, zoals weergegeven in figuur 2.
03 De toepassing in de assemblagefase van batterijmodules en batterijpakketten omvat het integreren van individuele cellen in modules en batterijpakketten, waarvoor een groot aantal elektrische verbindingen en structurele bevestiging nodig is. Dit is de fase waarin laserlassen het meest geconcentreerd en technisch uitdagend is. Wat de elektrische verbindingen betreft, is de kerntoepassing het serie- en parallelle lassen tussen cellen. Door de rails (meestal aluminium of koperen staven) aan te sluiten op de celterminals, wordt het elektrische circuitsysteem van het gehele batterijpakket opgebouwd.
De moeilijkheden bij dit proces liggen in: 1) uitdagingen op het gebied van materiaaleigenschappen-koper en aluminium hebben een hoge reflectiviteit voor veelgebruikte infraroodlasers en een hoge thermische geleidbaarheid, waardoor lassen moeilijk wordt; 2) het verbinden van ongelijksoortige materialen, zoals de verbinding tussen koperen rails en aluminium aansluitingen, waardoor brosse intermetallische verbindingen (IMC's) kunnen ontstaan die de betrouwbaarheid van de verbinding op lange termijn-aantasten. Om deze uitdagingen aan te pakken heeft de industrie geavanceerde processen ontwikkeld, zoals oscillerend laserlassen, hybride lassen (bijvoorbeeld laser-boog) en het gebruik van lasers met nieuwe golflengte, zoals groene of blauwe lasers. Deze technologieën onderdrukken effectief defecten zoals spatten en porositeit en regelen de dikte van de IMC-laag door het gesmolten bad uit te zetten, het roeren te verbeteren en de energieabsorptie te vergroten, waardoor elektrische verbindingen worden bereikt. Op het gebied van structurele verbindingen speelt laserlassen ook een belangrijke rol. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor structurele componenten zoals zijplaten en eindplaten van modules die cellen beveiligen, maar ook voor het verbinden van de behuizing en het deksel van het batterijpakket. Vergeleken met traditionele schroef- of klinknagelverbindingen kan laserlassen een hogere mate van integratie en structurele sterkte bereiken, waardoor de weerstand van het accupakket tegen trillingen en schokken wordt verbeterd. Bovendien worden steeds vaker kleine lasjes in de acquisitiecircuits van spannings- en temperatuursensoren in batterijbeheersystemen gemaakt met behulp van laserlassen om de stabiliteit en betrouwbaarheid van de signaalverwerving op lange termijn te garanderen.
04 SamenvattingLaserlastechnologie, met zijn hoge precisie, snelheid en betrouwbaarheid, is geïntegreerd in elke stap van de productie van krachtige batterijen. Van het lassen van cellipjes op microschaal tot structurele verbindingen van accu's op macroschaal, van luchtdichte verpakkingen die de celveiligheid garanderen tot elektrische verbindingen met lage- weerstand die de prestaties van de accu bepalen: laserlassen speelt een onvervangbare kernrol. Het lost niet alleen effectief de uitdagingen op bij het verwerken van moeilijk-te-lasmaterialen zoals koper en aluminium, waarbij wordt voldaan aan de efficiëntie- en consistentie-eisen van grootschalige- geautomatiseerde productie, maar maximaliseert ook de bescherming van de elektrochemische prestaties van de batterij door nauwkeurige controle van de laswarmte. De rijping en ontwikkeling van laserlastechnologie is een belangrijke technologische motor geworden die de toename van de energiedichtheid van accu's, verlagingen van de productiekosten en verbeteringen in de veiligheidsprestaties aandrijft, waardoor een solide productiefundament wordt gelegd voor de snelle ontwikkeling van de wereldwijde industrie voor nieuwe energievoertuigen.
